爆改串口实现OneWire驱动DS18B20

哈士奇上蔚

已于 2024-04-16 16:10:04 修改

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分类专栏：嵌入式元器件和模块文章标签：单片机 stm32 51单片机 gd32

于 2022-04-17 18:36:44 首次发布

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本文详细介绍了如何使用STM32F103的USART2接口模拟OneWire协议，包括发送reset信号、数据传输时隙和DS18B20温度传感器的应用。通过串口实现的OneWire协议简化了软件编写，但牺牲了部分硬件资源。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

OneWire简介

OneWire是美信（Maxim）开发的一种单总线通信接口，一根双向数据线，还有一根共同电压参考地线。
低速(15kbps)，串行半双工通信
可以支持100米长距离通信
单主多从总线结构，最多支持63个从机挂接在同一个总线上
总是由主机发起通信过程，从机是被动参与通信
每个字节数据传输时，位按照LSB顺序
每个OneWire从机都有一个出厂就设定好的，固化在ROM中的不可更改的64位器件唯一ID，其作用类似于I2C的从机ID
主机和从机的数据线驱动引脚都要配置为开漏输出模式。总线通过一个外部上拉电阻（典型值为4.7K）拉高，因此总线空闲时为高电平。总线使用“线与”逻辑，只要一个设备拉低了总线，总线将变为低电平

总线上的基本信号与时隙

主流发送reset信号，接收从机响应的presence信号
主机发送逻辑0和逻辑1到总线
主机从总线读取逻辑0和逻辑1

主机发送复位信号并接收存在信号

为了开启一次通信事物，主机必须先发送总线复位信号（reset signal），第一个目的是为了唤醒并通知所有从机，另一个目的是为了检查总线上是否有从机存在。当从机收到复位信号后，他们将同步进行响应一个存在信号（presence signal），主机收到存在信号才知道总线上有从机存在，可以开始选中某个从机进行通信。

主机写逻辑0时隙

写“0”时隙的起始信号是主机将总线拉低，且至少维持60us（这个时间是为了保证从设备能来得及采样总线上的信号）。然后主机释放总线，等待总线在上拉电阻作用下恢复高电平状态，然后才能进行下一个bit的传输。等待总线恢复高电平的时间用TREC表示，最低为1us，最长为无穷大。

主机写逻辑1时隙

写“1”时隙的起始信号是主机将总线拉低，且至少维持1us，然后主机释放总线，总线在上拉电阻作用下恢复高电平状态，从拉低到恢复高电平要在15us内完成。然后等待从设备采样，等待时间最低持续15us，最长持续45us。当然，如果主机愿意，它可以等待更长的时间。

主机读逻辑0和读逻辑1时隙

每个读时隙至少持续60us并附加一个至少1us的TREC时间。

起始信号同样是主机先将总线拉低至少1us，然后主机释放总线。接下来准备读取从设备发送到总线上的信号。从设备在检测到下降沿后，便开始将信号输出到总线上并维持15us的时间。因此主机从拉低总线然后读取数据要在15us内完成。如果主机读取到总线是低电平，则读取到了逻辑0；如果主机读取到总线是高电平，则读取到了逻辑1。

软件模拟OneWire存在的问题

使用GPIO软件模拟某种接口，英语里使用bit-banging一词来表示。有时候为了降低成本，使用的主控不具有某种通信接口，而不得不使用GPIO去模拟实现。这种设计存在一些问题：

为了模拟时序，需要软件延迟等待，浪费了CPU时钟
不同CPU处理速度不一样，调整时序时软件延时的代码需要根据CPU速度来反复调试确定，不方便代码编写和移植
软件模拟的时隙容易被中断、任务切换等机制打断，导致传输信号受损（虽然关闭全局中断和临界区是一种比较粗鲁的解决方案）

使用串口实现OneWire的优点

在使用串口实现OneWire协议时，是用一个串口字符帧的时序来实现OneWire的基本时隙。在使用串口在发送一个字符时，软件只需要将数据写入到发送缓冲寄存器，此后由串口内部的发送电路去实现发送过程，其过程由串口硬件自动完成，是原子性的，不用担心被打断。

另一方面，通过使用特定熟知串口波特率来满足OneWire时隙要求，在各个单片机平台都是通用且容易实现的，无需软件调试软件延时，代码实现更方便。

需要注意的是，OneWire协议中，无论是发送还是接收逻辑位，相邻的两个bit数据时隙数据之间的间隔要满足 1us< tREC < 无穷大，因此，通过串口实现OneWire协议时，只需满足连续的两个串口字符之间有至少1us的间隔就行，有更大的间隔也不影响OneWire通信。

这种方案，硬件代价比较大，牺牲了一个串口，以此换来软件编写的方便。

串口转OneWire硬件设计

OneWire规定接入到总线的引脚必须为开漏输出模式。串口的RX引脚是输入引脚（在stm32f103上配置为浮空输入），它没有将总线拉低的能力，因此它可以直接接入到OnwWire总线。而串口的TX引脚在串口通信空闲时为高电平，因此需要外加电路阻止TX高电平信号向外传输。下面图1是Maxim官方介绍的原理图，图2是我测试使用的原理图。

图一和图二都有相同点：

TX引脚只能拉低总线，让电流流入，不能作为电流源输出电流到总线上（开漏输出）
主机串口的RX和TX引脚连接在一起，主机发送的每个串口字节数据，同时会被自己收到，主机从串口收到的字节数据是叠加了onewire从机响应信号后的数据。这利用了串口全双工模式的特点，收发同时进行，互不影响。所以主机从串口收到的数据就可以反应出从机响应的数据。

串口转OneWire软件设计

主机发送总线复位信号并接收从机响应的存在信号

主机串口需要配置成9600波特率，1起始位，8数据位，无校验，1停止位。

首先，主机发送0xF0。在9600波特率时，一个串口位占用104us。由于标准串口的数据发送时也是LSB顺序，因此起始位加4个0会将总线拉低5x104=520us，满足OneWire总线的最低480us的要求。接着4个1加结束位将释放总线，在这个期间，当从机响应presence时，会拉低总线，因此主机串口接收到的数据就不再是0xF0，而是0xE0或者其他数据，如下图所示。

当主机收到的是0xF0时，说明总线上没有从机响应。当主机没有收到任何串口数据时，说明RX和TX线断开了，可以说明硬件线路故障。

当主机检测到从机响应presence时，要修改串口波特率为115200，帧格式不变，为后面收发数据准备。

主机发送逻辑0和逻辑1

发送逻辑0：主机在115200波特率下发送0x00来产生主机发送逻辑0时序。115200波特率时，一个bit约8.6us，所以起始位加8个0会拉低总线9x8.6=77.4us，满足OneWire规定的60~120us要求，最后一个结束位占用8.6us来释放总线，也满足最低1us的要求。

发送逻辑1：主机在115200波特率下发送0xFF来产生主机发送逻辑1时序。起始位会拉低总线8.6us，满足OneWire规定的1~15us要求，8个1加结束位用来释放总线9x8.6=77.4us。

主机从总线读取逻辑0和逻辑1

主机在115200波特率下发送0xFF来读取总线上的bit数据。起始信号会将总线拉低8.6us。

读逻辑0：如果从机响应的是逻辑0，它会拉低总线一段时间，使得主机从串口读取到的数据不再是0xFF。

读逻辑1：如果从机响应的是逻辑1，则剩下的9个串口位周期内，总线都将保持高电平，那么主机将从串口原样收到自己发送出去的0xFF；

基于串口的OneWire协议实现

下面使用STM32F103的USART2（TX-PA2，RX-PA3）实现串口转OneWire来驱动DS18B20。

注意：

发送串口数据时要依据TC标志而不是TXE标志，保证数据发送完成，并产生足够的TREC时间间隔。如果单片机不支持TC，则串口发送之间加适当的延时
不需要用到任何串口中断，使用查询法发送和接收

//===========================OneWire========================

//主机发送reset信号，并接收从机presence信号
//如果没有从机响应，则返回0
//如果有从机响应，则返回1
uint8_t OneWire_reset(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	
	//配置USART2的RX和TX引脚
	/*PA2 -- USART2_TX*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;       
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    /*PA3 -- USART2_RX*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_3;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IN_FLOATING;  
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

	//主机配置9600波特率来发送reset信号
	USART_Cmd(USART2, DISABLE);                             
		USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
		USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
		USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
		USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
		USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
		USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
		USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); 
	USART_Cmd(USART2, ENABLE);
	
	//主机发送reset信号
    USART_ClearFlag(USART2,USART_FLAG_TC);
	USART_SendData(USART2,0xF0);
	while(SET != USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC));  //等待发送完成
	
	//主机读取收到的串口数据
	while(SET != USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_RXNE) );
	if(0xF0 == USART_ReceiveData(USART2))  //总线上没有从设备响应，返回错误代码
	{
		return 0;
	}
	else  //总线上有从设备响应，则重新修改波特率为115200
	{
		USART_Cmd(USART2, DISABLE);                             
			USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
			USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); 
		USART_Cmd(USART2, ENABLE);
		return 1;
	}
}
 
//主机发送逻辑1或逻辑0
//传递参数0来发送逻辑0
//传递参数非0来发送逻辑1
void OneWire_write_bit(uint8_t bit)
{
    USART_ClearFlag(USART2,USART_FLAG_TC);
	USART_SendData(USART2,bit ? 0xFF : 0x00); 
	while(SET!=USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC));
	
	//这里仅仅是为了消除RXNE标志，防止ORE
	while(SET!=USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_RXNE)); 
	USART_ReceiveData(USART2);
}
 
//主机从总线上读取1个bit的数据
//返回0代表读取到逻辑0
//返回1代表读取到逻辑1
uint8_t OneWire_read_bit(void)
{
    USART_ClearFlag(USART2,USART_FLAG_TC);
	USART_SendData(USART2,0xFF );    
	while(SET!=USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC));
	
	while(SET!=USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_RXNE)); 
	return ((0xFF == USART_ReceiveData(USART2)) ?  1 : 0 );
}
 
 
//主机写一个字节的数据到总线
//lsb frist
void OneWire_write_byte(uint8_t dat)
{
	uint8_t i;
	for ( i = 0 ; i < 8 ; ++i ) 	
	{
        OneWire_write_bit(dat & 0x01);
		dat = dat >> 1;
    }
}
 
//主机从总线读一个字节数据返回
//lsb frist
uint8_t OneWire_read_byte(void)
{
	uint8_t  i;
	uint8_t  dat = 0;
     
	for ( i = 0 ; i < 8 ; ++i) 
	{   
		dat>>=1;
		if(OneWire_read_bit())
			dat|=0x80;
	}
	return dat;
}

//===============================DS18B20======================

#define DS18B20_READ_ROM     ((uint8_t)0x33)
#define DS18B20_MATCH_ROM    ((uint8_t)0x55)
#define DS18B20_SKIP_ROM     ((uint8_t)0xCC)
 
#define DS18B20_CONVERT_T    ((uint8_t)0x44)
#define DS18B20_READ_SPAD    ((uint8_t)0xBE)
#define DS18B20_WRITE_SPAD   ((uint8_t)0x4E)
#define DS18B20_COPY_SPAD    ((uint8_t)0x48)
 
//向DS18B20发送一条温度转换指令convert T
uint8_t DS18B20_convert_T(void)
{
    if(!OneWire_reset()) return 0;   //如果总线错误
    OneWire_write_byte(DS18B20_SKIP_ROM);
    OneWire_write_byte(DS18B20_CONVERT_T);
    return 1;
}
 
//读取DS18B20的内部温度数据，然后转换成摄氏度温度
uint8_t DS18B20_get_temperature(float*temp)
{
    uint8_t pad0,pad1;
	uint16_t     t;
	
    if(!OneWire_reset()) return 0;  //如果总线错误
    OneWire_write_byte(DS18B20_SKIP_ROM);
    OneWire_write_byte(DS18B20_READ_SPAD);
    
    pad0 = OneWire_read_byte();  //读pad0
    pad1 = OneWire_read_byte();  //读pad1
    
	//如果主机不想继续读取后面的ScratchPad字节，则用一个reset信号来表示读取ScratchPad结束。
    OneWire_reset();       
	
	t = pad1;
	t = (t<<8)|pad0;
	*temp =   ((int)(t)) * 0.0625; 
	
    return 1;
}